基于ADVISOR的混合动力客车动力系统匹配与仿真*

钱超 冯国胜 张小荣 支亚辉

（石家庄铁道大学）

随着当前严重的环境污染和石油资源的缺乏[1]，国家对汽车排放的要求越来越严格，“中国制造2025”已经将新能源汽车的研发作为一项国家战略。由于受到当前电池技术的影响[2]，混合动力汽车（HEV）成为最合适的汽车减排方案之一。HEV是传统内燃机和电动汽车的有效组合，它不仅具有电动汽车排放低和油耗低的优点[3]，而且使传统内燃机处于高效工作区，提高了工作效率，减少了排放，提高了燃油经济性。同时HEV处于纯电动行驶模式时能实现零排放，因此HEV是一种有效的节能减排方式。ADVISOR作为一款整车性能仿真软件，采用了独特的将后向仿真和前向仿真相结合的混合仿真方法，以后向仿真为主，前向仿真为辅[4]，这样能保证仿真结果的准确性。文章以某小型客车为原型，在其基础上设计并改装成混合动力客车。

1 结构设计建模参数匹配

该小型客车基本参数，如表1所示。

表1 某小型客车基本参数

为改善该小型客车发动机的工作状况，提高其经济性，其建模、仿真及分析思路，如图1所示。

1.1 结构形式选择

HEV按照动力传递方式主要分为串联式、并联式及混联式3种[5]。串联式结构简单，但是传动效率较低；并联式传动效率与传统汽车接近，而其经济性能得到明显提高；混联式具有串联和并联式的共同优点，控制简单，但是其结构复杂[6]。综合考虑本次设计采用并联式结构形式，如图2所示。

1.2 发动机模块建模

该小型客车的发动机型号为EQ6102-Ⅰ，其额定功率/转速（kW/（r/min））：88/2 800，最大扭矩/转速（N·m/（r/min））：343/1 600，最低燃油消耗率（g/kW·h）：230，其万有特性曲线和外特性曲线，如图3和图4所示。

依据图3和图4，可将发动机模块的转速范围、转矩范围、发动机最大转矩曲线及发动机燃油消耗率定义成矩阵形式，通过编写M文件的形式对其进行定义。

1.3 电机的匹配

电机作为并联HEV的辅助动力，其功率必须满足客车最高车速、爬坡度及加速能力的功率需求[7]。通过其峰值功率的计算可以得到客车的动力源总功率峰值要求。具体计算过程，如式（1）～（5）所示。

该客车在最高车速时，确定的最大功率（Pem1/kW）为：

假设爬坡度α=tan α=sin α=0.1时，其爬坡性能决定的最大功率（Pem2/kW）为：

汽车加速到速度为60 km/h时，其加速能力确定的最大功率（Pem3/kW）为：

式中：m——整车满载质量，取6 300 kg；

g——重力加速度，取9.8 m/s2；

f1，f3——高速行驶和加速到60 km/h时的滚动阻力系数，取0.001 29；

vmax——最高车速，取95 km/h；

v0——低速爬坡时车速，取20 km/h；

f2——爬坡行驶时，滚动阻力系数，取0.008 72；

vi——行驶车速，取60 km/h；

ηt——传动效率，由于电机到驱动轮只经过单级主减速器，取0.9；

Cd——空气阻力，取0.6；

A——迎风面积，取4.83 m2；

δb——汽车旋转质量换算系数，取1.35。

将各参数数值代入式（1）～（3）得：Pem1，Pem2，Pem3分别为38.59，39.15，86.57 kW。考虑20%的加速后备余量，取Pem3=103.88 kW。

因此，小型客车动力源的总峰值功率（P）需要满足：

由于发动机功率为88 kW，所以电机功率为：

根据计算结果，综合考虑选择20 kW的无刷直流电机。根据软件ADVISOR 2002中的电机模型通过编辑M文件建立MC_AC20电机模型。

1.4 电池参数匹配

电池作为混合动力汽车的第二动力源，其选择不仅要考虑满足提供电功率的需要，还要考虑满足汽车

式中：Wess——电池实际放出的能量，J；

Wroad——汽车行驶过程中所需能量，J；

Pess——纯电动行驶功率，kW；

t——续驶时间，s；

n——电池数量；

C——单节电池的容量，A·h；

U——单节电池的输出电压，V；

f——车速为20 km/h时的滚动阻力系数，取0.008 72；

S——电池的续驶里程，取60 km；

vele——纯电动行驶车速，取20 km/h。

将各物理量代入式（8），计算得Wroad=10 988.72 J，通过式（6）和式（7）来确定 C，U，n。

根据计算结果，最终取20%的后备能量，综合考虑选择单节电压为12 V，容量为105 A·h的电池12个。

1.5 变速机构

该小型客车的变速器为5挡变速器，其变速机构的主减速比 i0=4.875，变速器 1～5挡传动比 ig1，ig2，ig3，ig4，ig5依次为 4.762，2.808，1.594，1.000，0.756。将变速器和主减速器的质量、主减速比及传动比参数通过M文件的形式建立其模型。

1.6 控制策略

控制策略作为电机辅助动力控制的关键，决定着混合动力汽车的工作状态，其电池SOC值的控制是十分关键的，应当让电池经常工作在内阻较低的SOC范围内，并且SOC值的波动要较平稳。电池在SOC工作区内，电池组的峰值放电功率应大于电动机的最大需求功率；当SOC值较低由发动机提供额外充电功率工况下，电池的峰值功率必须满足整车的充电功率需求。

电机辅助控制策略为蓄电池理想电荷上限：cs_hi_soc为0.85；蓄电池理想电荷下限：cs_lo_soc为0.6；SOC大于下限时，客车采用纯电动模式的门槛车速：cs_electric_launch_spd_hi为20km/h；客车采用纯电动模式的门槛扭矩系数：cs_off_trq_frac为0.3，其余用默认值。的续驶里程[8]。具体计算，如式（6）～（8）所示。

2 性能仿真

HEV的整车仿真需要先选定整车结构类型，即并联式HEV类型，然后将已建立的发动机、变速机构、电机、电池组及控制策略模块嵌入到ADVISOR软件中[9]，嵌入后仿真界面，如图5所示。

为了研究混合动力客车的优越性，选用标准美国城市工况作为循环工况，并且选用一致的加速测试和爬坡能力测试条件，分别对原传统客车和设计的混合动力客车进行仿真，其仿真结果，如表2所示。图6示出蓄电池SOC值变化情况；图7和图8分别示出混合动力客车和原客车的发动机实际输出转速；图9和图10分别示出混合动力客车和原客车的发动机燃油消耗情况。

表2 某小型客车性能仿真结果对比

由表2的仿真结果可以看出，文章设计的混合动力客车在0～40 km/h的加速时间提高了30.4%；最高加速度提高了62.5%；综合燃油消耗降低了19%；40 km/h等速油耗降低了12%。

由图6可以看出，电池SOC值在0.6～0.85之间波动，符合控制策略要求。由图7和图8可以看出，混合动力客车在停车状态转速为0，也即是说在停车状态中，发动机关闭，达到节约油耗的效果。由图9和图10可以看出，在停车以及低速时发动机的燃油消耗为0，也就是说这种工况下只用电机工作，发动机是关闭的，进而达到降低油耗的目的。

3 结论

以某小型客车为原型的小型混合动力客车的动力系统匹配仿真完成后，与原车型在加速性能、爬坡度及燃油消耗方面进行对比，对于爬坡性能，所设计的混合动力客车与原客车持平，在加速时间、加速度及燃油消耗方面有了显著提高，体现了混合动力客车较原客车的优越性。该混合动力客车动力系统参数匹配方案较为合理，能用于后期试制中。